实验力学基础 实验指导书

河海大学力学与材料学院力学系 2015 年 3 月

实验一 应变片灵敏系数的标定（一）

一、目的与要求

• 1、熟悉应变片质量的检验方法

• 2、熟悉电阻应变仪的使用与操作技术

• 3、熟悉应变片1/4桥、半桥，并测出各种桥路应变与输出电压间的关系

• 4、了解应变片灵敏系数的设置对测量值的影响

• 4、掌握应变片灵敏系数的标定方法，并确定其误差。

二、应变片灵敏系数的标定原理

根据灵敏系数的定义

（1.1）

若能测出被测点的应变ε，再测出应变片相应的电阻变化ΔR/R便可确定K值。但这需 要精度高、量程大的量测电阻R的设备。但由式（1.2）可以看出通过量测 仍可量测电阻 的变化ΔR/R。求出单个应变片的灵敏系数后，便可计算抽样应变片灵敏系数的平均值，可 用此平均值来表示这批应变片灵敏系数的标定值。

另方面根据桥路原理：

得：

（1.3）

式中 —单个应变片的灵敏系数片； —应变仪灵敏系数值（一般取 =2.00）； —加载或卸载时应变读数值； —构件表面真实应变值（由百分表测出）。

三 、标定设备与装置

应变片灵敏系数的标定，通常采用纯弯曲梁或等强度梁。它们的共同特点是单向应力 状态。在标定工作段内应变相等，而且可用理论式精确计算应变值的大小。

纯弯曲梁标定装置如图1.1，等截面矩形直梁，简支于两个支座上。荷载通过砝码钩对 称地加在梁上，梁中间部分产生纯弯曲。这时梁上、下表面的应变大小相等，符号相反。 在梁中点处安置百分表，以便量测梁在荷载作用下中点的挠度。根据所测挠度值，就可以 计算对应的应变值。

实验时桥路分别用1/4桥、半桥进行多点测量，桥路图如图1.2所示。

四、进行方法

1、应变片在使用前进行以下几项基本性能的检验

（1）几何尺寸及外观 几何尺寸应一致，标距长度符合要求。丝栅平直，排列整齐，

无锈斑。

（2）初始电阻 应逐片量测应变片的初始电阻。为便于应变仪的调平，接在同一台 应变仪的应变片，阻值差不得大于0.5Ω。否则不易调平。

（3）灵敏系数值 接在同一台仪器上的应变片，灵敏系数K值应相等，这样可减少

量测值的换算。

（4）绝缘度 这里是指基底材料与丝栅间的绝缘程度，一般大于500MΩ。量测绝缘 度只能用100V低压高阻表，不得使用摇表，以防击穿。

经过上述检验后的应变片方可正式使用。

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图 1.1

2、灵敏系数的标定方法

（1）仔细阅读应变仪使用说明书，掌握应变仪使用方法

（2）量测纯弯曲梁的几何尺寸，在梁的中点安装百分表，为保证接触良好，应有一定 的初读数。

（3）将应变片接成1/4桥、半桥，使应变仪灵敏系数K=2.00、K=1.8、K=2.2，观察读 数的变化。

（4）在两个砝码盘上逐级增加荷载，每次加载ΔP=5N，记录应变仪及百分表的读数， 直至P=25N。

（5）加载与卸载共三次，取三次平均值来计算每片的Ki值。

（6）根据单个应变片的灵敏系数Ki，计算该批应变片灵敏系数的平均值K，计算表示 灵敏系数分散程度的标准误差σ。

五、计算公式

1、纯弯曲梁中点挠度

式中

2、纯弯曲梁上、下表面的应变与梁中点挠度的关系

3、单个应变片的灵敏系数

半桥接法每个应变片的应变为： 其中 为应变仪测试的读数。

4、应变片的平均灵敏系数及标准误差

（1.6）

式中 K—应变片的平均灵敏系数； n—抽样测定的片数。

（1.7）

式中 σ—灵敏系数的标准误差。 六、实验报告

• 1、实验目的与要求

• 2、实验装置示意图

• 3、纯弯曲梁及实验装置的几何尺寸

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• 4、实验记录

• 5、整理实验记录，编写实验报告

• 6、本次实验存在的问题及改进意见。

实验二 应变片灵敏系数的标定（二）

一、 目的与要求

• 1、熟悉应变片全桥的连接方法，并测出各种桥路应变与输出电压间的关系

• 2、熟悉应变片串联、并联后接成半桥、全桥的方法，并与单片测得的应变与输出电

• 压间的关系进行比较

  • 3、了解长导线对应变量测的影响

  • 4、掌握应变片灵敏系数的标定方法，并确定其误差。

  • 二、应变片灵敏系数的标定原理（同实验一）

  • 三、标定设备与布置（同实验一）

全桥桥路图：

四、进行方法

• 1、量测纯弯曲梁的几何尺寸，在梁的中点安装百分表，为保证接触良好，应有一定的

• 初读数。

  • 2、将应变片接成全桥，使应变仪灵敏系数K=2.00（选定其他值也可）。

  • 3、在两个砝码盘上逐级增加荷载，每次加载ΔP=5N，记录应变仪及百分表的读数，直

• 至P=25N。

  • 4、加载与卸载共三次，取三次平均值来计算每片的Ki值。

  • 5、根据单个应变片的灵敏系数Ki，计算该批应变片灵敏系数的平均值K，计算表示

• 灵敏系数分散程度的标准误差σ。

  • 6、将应变片串联后接成半桥，使应变仪灵敏系数K=2.00（选定其他值也可）。

  • 7、重复步骤3～5

  • 8、将应变片并联后接成半桥，使应变仪灵敏系数K=2.00（选定其他值也可）。

  • 9、重复步骤3～5

  • 10、将一组应变片接上长导线后接成半桥，观测应变读数的变化。

  • 五、计算公式

  • 1、纯弯曲梁中点挠度（同实验一）

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• 2、纯弯曲梁上、下表面的应变与梁中点挠度的关系（同实验一）

• 3、单个应变片的灵敏系数

全桥接法每个应变片的应变为： 其中 为应变仪测试的读数。

4、应变片的平均灵敏系数及标准误差

（2.3）

式中 K—应变片的平均灵敏系数； n—抽样测定的片数。

（2.4）

式中 σ—灵敏系数的标准误差。 六、实验报告

• 1、实验目的与要求

• 2、实验装置示意图及桥路图

• 2、纯弯曲梁及实验装置的几何尺寸

• 3、实验记录

• 4、整理实验记录，编写实验报告

• 5、本次实验存在的问题及改进意见。

实验三应变式压力传感器的标定

一、 实验目的与要求

• 1、了解应变式压力传感器的工作原理及其特点；

• 2、熟悉应变式压力传感器的测量方法；

• 3、掌握应变式压力传感器灵敏系数的标定方法，并进行实验误差分析。

二 、应变式压力传感器的工作原理

这种传感器的弹性元件是一周边固定的圆形平板，当膜片受压力作用时，其径向和切 向应变分别为

式中 p—压强； h—膜片厚度； r—膜片半径； x—任意点离圆心的距离；

E—膜片材料的弹性模量；μ—膜片材料的泊松比。 若采用小栅长的应变片，分别粘贴在中心正应变区和 负应变区，接成半桥或全桥，即可通过测定桥路的输出应 变值计算得到传感器所受的压强值。 式中 k —传感器的灵敏系数，与膜片材

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料参数及尺寸有关，ε—应变仪读数。

二、标定方法

采用活塞 式压力装置对应变式压力传感器进行灵敏系数标定。 压力表

采用活塞 式压力装置对应变式压力传感器进行灵敏系数标定。 压力表 1、调节活塞式压力装置。关闭阀门1、3、4，打开阀门2，逆时针转动活塞手轮，使 活塞内及管路中充盈液压油。顺时针转动活塞手轮，排出活塞内及管路中的空气，再逆时 针转动活塞手轮，使活塞内及 管路中充盈液压 油，使压力表读数为零，关闭油路控制阀2。 油路控制阀4 2、打开阀门3、4，关闭阀门2，转动活塞手轮使校准托盘下的刻度线一致，此时压力 压力传感器 表读数为0.4，再置一个1Kg砝码于托盘上，顺时针转动活塞手轮至刻度线一致时，此时压 力表读数因为1.4Kg，压力装置校准完毕。

3、转动活塞手轮，使压力表读数为零，关闭油路控制阀4。安装传感器到压力装置， 将输出端与应变仪连接，按应变仪操作规程调试仪器。顺时针转动活塞手轮，对传感器进 行分级标定。

• 4、标定时，严格按照应变计的量程范围要求进行，最大压力不超过4Kg（0.4MPa），

• 严禁超范围。转动手轮逐级分档进行上行或下行的标定,每级0.02～0.04MPa。

  • 5、重复 三次，分别测读 压力 、应变值。 油路控制阀3 油路控制阀2

油路控制阀1

• 6、标定完毕，各部件回零，整理实验台。

• 7、整理实验数据，编写实验报告。

实验四、钢弦式应变计的标定

三、 实验目的与要求

• 1、了解弦式应变计的工作原理及其特点；

• 2、熟悉弦式应变计的测量方法；

• 3、掌握弦式应变计灵敏系数的标定方法，并进行实验误差分析。

• 四、使用方法

  • 1、根据需标定的应变计规格大小来调换标定台拉杆。（实验时已调好，无须变动） 弦式应变计的主要技术参数：

    • 型号：EBJ-51型

传感器标距：100mm;

拉压测量范围：±800με

• 2、在装夹应变计时，用扳手把螺钉上紧，以防标定时应变计产生滑动；

• 3、在装千分表时，先把千分表固定在标定台的尺座上，再细心调整尺座与应变计前端

• 座之间的距离，使千分表的测头顶在应变计的前端座上，并使千分表指针处在0.5mm左右 为佳。

• 4、标定时，严格按照应变计的量程范围要求进行 （最大位移不超过± 0.1mm ），严

• 禁超范围 。转动手摇把逐级分档进行上行或下行的标定。(拉压各十级)

  • 5、重复三次，分别测读位移、频率值。

  • 6、标定完毕，各部件回零，整理实验台。

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实验五 ZK-4VIC 型振动测试与控制 实验装置的组成、功能与使用方法

一、实验目的

• 1．了解振动与控制实验装置的组成、安装和调整方法。

• 2．学会激振器、传感器与测振仪的操作、使用方法。

• 3．学习了解虚拟式测试仪器的组成和使用。

二、 ZK-4JCZ 型双通道测振仪的主要功能与使用

（一）主要功能及技术指标

1. 信号发生器及功率放大器

内部信号发生器频率范围：1Hz～1kHz

频率精度：10Hz以上：≤5%±1字 功率放大器最大输出功率:>5W(当和内阻为4Ω的激振器相配用时) 输出电流:>500mA(和JZ-1型激振器相配用,JZ-1激振器的线圈电阻约8Ω)。 读数精度:≤5%±1 字

2. 测量通道：工作频率范围: 10Hz~1kHz) 加速度: 0.01～199.9mm/s² (单峰值) 读数精度: ≤5%±1 字 速 度: 0.01～199.9mm/s (有效值) 读数精度: ≤5%±1 字 位 移: 0.1～1999μm (峰-峰值) 读数精度: ≤5%±1 字

（二）使用说明

见附件： 1 、 ZK-4JCZ 型测振仪用户说明书

2 、无线动态测试系统用户手册

三、 JZ-1 型电动式激振器的功能与使用方法

①技术指标：激振频率范围 10～1000Hz

最大激振力 200g 最大行程

②使用方法：将激振器安装在支架上，并保证激振器顶杆（驱动杆）对试件有预压力 （不超过红线），这时顶杆在激振器中所在位置应是其行程的中间位置。将激振器专用电 缆线连接到功率输出端A或B，启动激振器信号源，即可实现对试件的激振。

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实验六结构振动幅值的测量

一﹑实验目的

1. 学会振动测试系统实验装置的连接与操作。

2. 了解振动信号位移﹑速度﹑加速度之间的关系。

3. 学会用加速度传感器测量简谐振动的位移﹑速度﹑加速度幅值。

二﹑实验装置框图

实验装置与仪器框图见下图6-1

图6-1 实验装置框图

三﹑实验原理

在振动测量中，振动幅值是最基本的量测参数。振动信号的幅值可根据位移﹑速度﹑ 加速度的关系，用位移传感器或速度传感器﹑加速度传感器来测量。

设振动位移﹑速度﹑加速度分别为 x ﹑ v ﹑ a ，其幅值分别为X﹑V﹑A:

(6-1)

式中： B ——位移振幅 ——振动角频率 ——初相位
（6-2）

振动信号的幅值可根据式（6 -2 ）中的位移速度加速度的关系，分别用位移传感器速度

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传感器或加速度传感器来测量。也可以用虚拟式信号分析仪和测振仪中的微分积分功能来 测量。

四﹑实验方法

• 1． 激振信号源输出端接电动式激振器，用电动式激振器对简支梁激振。

• 2． 用加速度传感器测振，加速度传感器的输出端接测振仪。

3. 开启激振信号源的电源开关，对系统施加交变的正弦激振力，使系统产生简谐振

• 动，调整信号源的输出调节开关便可改变振幅大小。调整信号源的输出调节开关时注意不 要过载。

  4. 分别用测振仪的位移 X ﹑速度 V ﹑加速度 A 各档进行测量和读数。

五﹑试验结果与分析

1 ． 试验数据

频率_f_	位移X（μ_m_）	速度V（cm/s）	加速度A（cm/s2）

• 2 ． 根据位移X，按公式（6-2）计算速度 V ﹑加速度 A 。

• 3 ． 根据速度V，按公式（6-2）计算位移 X ﹑加速度 A 。

• 4 ． 根据加速度A，按公式（6-2）计算位移 X ﹑速度 V 。

• 5 ． 位移﹑速度﹑加速度幅值的实测值与计算值有无差别？若有差别原因是什么？

实验七结构振动系统固有频率的测量

一﹑实验目的

1. 学会振动测量的实验原理和测振系统操作。

2. 了解共振前后李萨如图形的变化规律和特点。

3. 学会用“共振相位判别法”测量机械振动系统的固有频率。

• 二﹑实验装置框图

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